《分子生物学基础》课程教学大纲

分子生物学基础（MolecularBiology）课程基本信息课程编号：19011032课程总学时：48实验学时：8课程性质：必修课程属性：基础类开设学期：第5学期对先修的要求：要求学生前期通过对普通化学、有机化学、基础生物化学课程的学习，掌握核酸化学、酶、糖类代谢、脂类代谢、蛋白质降解及氨基酸代谢、核酸降解及核苷酸代谢等内容，知晓各类大分子物质的代谢过程；通过对植物学、园艺植物遗传学课程的学习掌握植物不同组织器官发育过程、遗传的细胞学基础、遗传物质的分子基础、遗传学基本定律、细胞质遗传、遗传物质的变异、数量遗传与群体遗传、园林植物主要观赏性状的遗传等内容，知晓园艺植物的发育与遗传。对后续的支撑：后续通过对园艺植物生物技术、园艺产品采后处理学等课程的学习，进一步将分子生物学基础课程知识应用到植物基因编辑育种与采后处理中，实现理论知识与实践应用的结合。课程的教学理念、性质、目标和任务分子生物学是园艺专业必修课程和基础课程，是一门近年来发展迅速并且在生命科学领域里应用越来越广泛、影响越来越深远的一个学科。它渗透到生命科学的各个领域，特别是生命科学、医学、农学、园艺以及生物技术、生物工程等方面。本课程主要介绍分子生物学技术的基本原理和操作方法，并详述原核和真核生物表达系统的研究等。通过该课程的讲授，使学生系统掌握分子生物学基本理论、技术和方法，初步了解当今分子生物学的应用与发展趋势，为学习其它基础课程打下坚实的理论基础，能及时跟踪最新发展动向，培养掌握分子生物学理论和技术的园艺学专业本科人才。二、课程教学的基本要求1.理论知识方面：（1）、掌握分子生物学的概念、研究内容与特点。（2）、了解基因概念的演变，掌握基因的概念及其结构与功能。（3）、掌握原核生物与真核生物基因组的结构及特点。（4）、掌握DNA复制的一般特点及过程，掌握基因突变和遗传重组的分子机制。（5）、理解转录的基本过程、机制，掌握真核RNA的转录后加工。（6）、掌握蛋白质合成的生物学机制。（7）、掌握原核基因表达调控模式和真核基因表达调控的一般规律，深刻理解基因表达的精细性和复杂性及高度可调控性。（8）、结合当今快速发展的分子生物学技术讨论基因组学、转录组学、蛋白组学以及代谢组学的最新研究概况。2.实验技能方面：（1）、掌握质粒DNA的提取，以及酶切鉴定和检测方法。（2）、掌握PCR技术检测SSR标记的方法。（3）、了解生命科学发展的方向与前沿，及其在有关领域的应用与前景。（4）、在教师的指导下能设计和组合实验内容，对实验结果能进行综合判断分析和解释。三、课程的教学设计1.教学设计说明21世纪是分子生物学迅速发展的时代，分子生物学已成为生命科学的领头羊，其理论与基本技术迅速渗透到生物与农业的许多领域，并且得到越来越广泛的发展应用，呈现出巨大的生命力。分子生物学是一门理论性和实践性很强的学科，理论知识抽象，内容多而且有一定的深度，学生较难理解。为了使学生系统掌握分子生物学技术的基本原理和操作方法，分子生物学课程组采用线上线下混合式教学的模式，其中线上内容包括小动画、微视频、文献资料和讨论等；线下内容包括教师课堂讲授、小组讨论、翻转课堂和学生实验等。分子生物学的基本理论和基本概念，教师一方面可以通过APP或者课程微信群发布小动画、视频和PPT等教学资料，把理论讲透讲明，引导学生自己安排学习，强化基础理论知识；另一方面，在讨论区安排本节内容相关的最新科学进展作为讨论题目，让学生将知识外化，启发学生思维，培养学生思考问题、查阅资料和解决问题的能力。线下教学有教师课堂讲授、小组讨论、翻转课堂和学生实验等。线下教学时，在学生学会基础概念和理论的基础上，设置各种情景和实验目标，让学生采用小组讨论的方法设计相关实验技术路线，加强对分子生物学基础理论知识的理解并能初步应用在实际生产中。本门课程的考核分为平时、期末和实验考核三个环节。平时成绩包括线上学习情况、课堂提问、小组讨论表现、作业和考勤；期末考试为闭卷；实验考核包括考勤、实验操作和实验报告。总成绩计算办法是：平时考核成绩占20%，实验成绩占30%，期末考试成绩占50%。2.课程目标及对毕业要求的支撑序号课程目标毕业要求1树立牢固的专业思想，懂农业、爱农村、爱农民、立志服务“三农”，践行可持续发展理念。22使学生系统掌握分子生物学基本理论、技术和方法。掌握现代生物科学基础理论知识和原理，能够学以致用，具备将上述理学知识应用并解决园艺生产领域实际问题的素质和能力。43具备扎实的分子生物学基础知识，掌握本专业基础理论、专业知识和实验技能。了解当今分子生物学的应用与发展趋势，为学习其它基础课程打下坚实的理论基础，能及时跟踪最新发展动向。54具备从事园艺植物分子设计育种的能力，培养掌握分子生物学理论和技术的人才。65具有良好的创造性思维和开展科技创新、成果研发的能力，具有利用所学知识进行创新创业的能力。76具有较强的沟通表达和协调能力，并具有组织、管理与领导能力；具有较强的团队合作精神。8四、理论教学内容及学时分配（40学时）绪论学时数：2教学目标：了解分子生物学的基本含义、发展简史及发展趋势，并结合其与农业科学的关系，理解分子生物学的研究内容。教学重点和难点：理解分子生物学的研究内容及相关研究技术。主要教学内容及要求：分子生物学的基本含义。分子生物学的主要研究内容：包括基因与基因组的结构与功能，DNA的生物合成、修复和重组，RNA的生物合成和转录产物的加工，蛋白质的生物合成，基因表达的调控，穿插介绍相关的研究技术。分子生物学的发展简史和展望：人类对DNA和遗传信息传递的认识阶段，重组DNA技术的建立、发展和应用，结构基因学和功能基因学等的发展现状及发展趋势。分子生物学与农业科学的关系。要求：了解：分子生物学的基本含义，分子生物学的发展和展望，分子生物学与农业科学的关系。理解：分子生物学的主要研究内容。教学组织与实施：以班级授课的形式讲解分子生物学发展中的重要事件，并对里程碑式的发现通过小故事等形式进行重点讲解（2学时）。第一章基因概念的演变与发展学时数：2教学目标：掌握经典基因概念、基因概念的发展，熟悉DNA的分子结构及物理化学性质，了解间隔基因和跳跃基因的概念。教学重点和难点：重点：经典基因概念；难点：拟等位基因与跳跃基因。主要教学内容及要求：早期“基因”概念的提出及发展。基因概念的演变（经典基因概念、经典基因概念的第一次修正、拟等位基因概念、顺反子理论）。基因概念的多样性（生物进化的C值矛盾、重叠基因、重复基因、间隔基因、跳跃基因或转座子、假基因的概念）。要求：了解：基因概念的发展历程、转座因子的研究进展，熟悉核酸的物理化学性质及原核生物的转座因子等。掌握：基因的分子结构，经典基因概念，顺反子、重复序列、重叠基因、间隔基因、跳跃基因、假基因的概念。教学组织与实施：以启发讨论的形式，让大家介绍一下自己对基因的理解与认识，然后以班级授课的形式系统介绍基因概念的发展历程，并对关键名词进行重点讲解，通过对相关科学家事迹的介绍，激发同学们投身科研的热情，加强思政教学。（2学时）。第二章DNA复制学时数：4教学目标：掌握DNA复制的基本特征，真核生物DNA复制的特点，DNA复制的终止。教学重点和难点：DNA复制的模式，真核生物DNA复制的特点，DNA复制的调控。主要教学内容及要求：DNA复制的基本特征（DNA复制的基本特征和模式、线形DNA复制的方式）。真核生物DNA复制的特点（多复制子复制、真核生物避免5’端缩短的机制—端粒和端粒酶）。DNA复制的终止（DNA复制终止子的结构、DNA复制终止机制）。要求：了解：真核生物DNA复制的特点、线形DNA复制避免5’端缩短的方式。掌握：原核生物和真核生物DNA复制的酶系统，DNA复制的模式：滚环复制、D环复制、θ环复制等。熟练掌握：DNA复制的方向、起点，细菌DNA复制过程，DNA复制中重要的酶和蛋白质。教学组织与实施：本章节主要涉及DNA复制以及DNA复制的调控，要求学生提前预习课本本章节内容，充分利用互联网查阅相关知识，做好课前准备工作。课程教授方式为教学PPT结合微视频深入浅出、生动形象的讲解疑点难点，在教学过程中与学生进行充分的互动，活跃课堂气氛，加深对课堂知识的理解与认识。第三章RNA的转录学时数：6教学目标：掌握转录的基本概念和特点，转录反应体系的组成；原核生物转录的过程：起始-延伸-终止；不同前体RNA的具体剪接机制。教学重点和难点：不同前体RNA的具体剪接机制；真核生物转录起始和转录后的加工机制。主要教学内容及要求：RNA转录的基本特征（转录的模板：有义链和反义链，不对称转录，转录的极性）。转录起始（原核生物的启动子的结构，及其突变效应，真核生物的启动子的基本结构）。RNA聚合酶（原核RNA聚合酶的组成及作用，真核生物RNA聚合酶的种类和转录起始）。转录因子及顺式作用元件（转录因子的种类，增强子，沉默子和绝缘子的结构和功能，反式作用因子常见的集中模体）。转录延伸（原核生物的转录延伸的特点、转录延伸，真核生物的转录延伸）。转录终止（不依赖于ρ因子的终止子的结构与功能，依赖ρ因子的终止子的结构与功能，抗终止作用）。RNA的加工（RNA加工的概念及加工的目的，真核生物RNA加工的过程）。要求：了解：真核生物转录的过程，转录因子的种类和功能，不同前体RNA的具体剪接机制。理解：真核生物转录起始，反式作用因子与DNA结合的常见的几种不同的模体，增强子和沉默子的结构和作用。掌握：转录反应体系的组成，转录的不对称性，原核和真核生物RNA聚合酶的种类和作用，及启动子的结构，转录的终止和终止子。熟练掌握：原核生物转录的过程：起始-延伸-终止，原核生物转录终止机制，真核生物mRNA转录后的加工机制。教学组织与实施：本章节主要涉及RNA的转录过程。要求学生提前预习课本本章节内容，充分利用互联网查阅相关知识，做好课前准备工作。课程教授方式为教学PPT结合微视频深入浅出、生动形象的讲解疑点难点，在教学过程中与学生进行充分的互动，活跃课堂气氛，加深对课堂知识的理解与认识。第四章蛋白质的翻译学时数：6教学目标：掌握蛋白质合成的反应体系：mRNA、tRNA、核糖体、酶和各种因子；原核生物蛋白质合成的生物学机制：氨基酸的活化、翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止。教学重点和难点：原核生物蛋白质合成的生物学机制，蛋白质合成的反应体系，核糖体的组成、结构和功能。主要教学内容及要求：掌握原核生物蛋白质合成的生物学机制。蛋白质合成的装备（mRNA的结构与功能、tRNA的结构与功能、rRNA与核糖体的结构与功能）。遗传密码及其简并（三联体密码的特征，遗传密码简并的特点，摇摆假说，同工受体tRNA，密码子的利用率）。蛋白质的翻译（基本概念：多顺反子、开放阅读框、反密码子、氨酰tRNA合成酶、核糖体结合位点，原核生物多肽链的合成：氨基酸活化及氨酰-tRNA的表示方法，翻译的起始过程：起始因子的种类及作用，SD序列的结构、多肽链的延伸，及延伸因子的种类和作用、翻译的终止，及释放因子的作用、保证蛋白质翻译准确起始的机制）。要求：了解：保证蛋白质翻译准确起始的机制：tRNA的准确负载、反密码子对密码子的准确识读，蛋白质前体的加工和运输过程、蛋白质合成抑制剂。理解：mRNA、tRNA的结构与功能，密码子的特点，原核生物翻译中各种因子的作用。掌握：蛋白质合成的反应体系：mRNA、tRNA、核糖体、酶和各种因子，核糖体的组成，结构和功能，原核生物蛋白质合成的生物学机制：氨基酸的活化、翻译的起始、肽链的延伸、肽链的终止。熟练掌握：原核生物蛋白质合成的生物学机制。教学组织与实施：本章节主要涉及蛋白质翻译过程。要求学生提前预习课本本章节内容，充分利用互联网查阅相关知识，做好课前准备工作。课程教授方式为教学PPT结合微视频深入浅出、生动形象的讲解疑点难点，在教学过程中与学生进行充分的互动，活跃课堂气氛，加深对课堂知识的理解与认识。第五章基因表达调控学时数：6教学目标：掌握原核基因调控机制的类型与特点（重点举例乳糖操纵子等）；真核生物基因表达调控及特殊类型（顺式作用元件和反式作用因子）。教学重点和难点：真核生物转录后水平的调控—顺式作用元件和反式作用因子，乳糖操纵子调控模型，真核生物转录后基因表达调控-mRNA的选择性剪接。主要教学内容及要求：掌握原核基因调控机制的类型与特点，乳糖操纵子调控模型和色氨酸操纵子模型，熟悉真核生物转录后水平的调控及翻译水平的调控。原核生物基本表达调控的理论与模式（基因表达调控的基本概念：正调控、负调控、管家基因、奢侈基因，操纵子调控模型：操纵子的概念与结构、乳糖操纵子的阻遏蛋白负调控诱导及CAP正性调节及协调调节、色氨酸合成酶操纵子负控制阻遏模型级衰减子调控）。转录水平的表达调控，包括顺式调控元件中的启动子，增强子，沉默子，反应元件。反式作用因子，转录因子的几种结构等。转录后水平的调控（真核生物转录后mRNA的加工，RNA干涉：RNAi的定义、RNAi的发现与证实、RNAi的特征与分子机制，反义RNA：反义RNA的概念，反义RNA的作用机制）。翻译水平的调控。真核生物基因表达调控的特殊类型（真核生物DNA水平的调控，mRNA的结构对翻译水平的调控）。举例说明基因表达调控的重要性：（1）基因调控与疾病（阐明癌基因、原癌基因、病毒癌基因、细胞癌基因和抑癌基因的概念，癌基因的激活方式。癌基因的诊断及发现）；（2）基因调控与植物发育（以植物组织器官发育为例，讲述植物调控的基因规律）。要求：了解：基因表达的基本概念，翻译水平的调控。理解：真核生物基因表达调控及特殊类型。掌握：真核生物转录后水平的调控—RNAi和反义RNA。熟练掌握：原核基因调控机制的类型与特点，乳糖操纵子调控模型，真核生物转录水平的调控-顺式作用元件和反式作用因子。教学组织与实施：本章节主要涉及基因表达调控内容。利用超星学习通班级群提前上传课件，要求学生提前预习章节内容，做好课前准备工作。以班级授课的形式讲授原核生物基因表达调控模式（2学时）和真核生物基因的表达调控模式（4学时），结合PPT及模式视频，理论基础联系实际应用，深入浅出的讲授疑点难点。在教学过程中设置提问及互动环节，活跃课堂气氛，调动学生积极性及专注性，加深对课堂知识的理解与认识。第六章基因突变和遗传重组的分子机制学时数：4教学目标：掌握基因突变的类型和导致因素，了解DNA损伤的修复机制和遗传重组的分子机制。教学重点和难点：重点：基因突变的类型和DNA损伤的修复机制；难点：DNA损伤的修复机制、DNA重组的机制。主要教学内容及要求：DNA损伤的原因、类型，DNA修复的方式和重组机制。基因突变（基因突变的种类：自发突变、点突变、转换突变、颠换突变、错义突变、无义突变、同义突。生物体保证稳定遗传的机制（错配修复、尿嘧啶-N-糖苷酶修复系统、基因的回复突变）。基因重组交换的分子机制（同源重组的分子机制—Holliday模型、同源重组的酶类及交换热点）。要求：了解：基因重组的概念及作用模型，大肠杆菌同源重组过程。理解：基因突变产生的原因。掌握：DNA损伤的修复机制。熟练掌握：基因突变的类型和DNA损伤的类型。教学组织与实施：本章节主要涉及基因突变和遗传重组的分子机制。利用超星学习通提前上传课件，要求学生提前预习章节内容，做好课前准备工作。以班级授课的形式讲授基因突变（2学时）和遗传重组的分子机制（2学时），结合PPT及现场提问，讲述理论基础的同时，列举实际应用范例，深入浅出的讲授疑点难点。在讲授物理诱变时，介绍我们国家的航天育种的发展与成就，激发同学们的民族自豪感。第七章系统分子生物学学时数：4教学目标：掌握系统分子生物学的研究内容及其应用。教学重点和难点：重点：系统分子生物学的主要技术平台的研究内容及其应用；难点：分子标记的种类及原理。主要教学内容及要求：掌握系统分子生物学的研究内容及其应用，了解其发展趋势。系统分子生物学：系统分子生物学的主要技术平台、基本工作流程及应用。基因、基因组与基因组学：原核生物基因组、真核生物基因组及基因组计划研究概况。转录组与转录组学：转录组与转录组学的定义、主要研究内容、研究方法及研究进展。蛋白质组与蛋白质组学：蛋白质组与蛋白质组学的诞生、主要研究内容、技术路线及发展趋势。代谢组与代谢组学：代谢组与代谢组学的诞生、应用及发展趋势。要求：了解：各种技术平台的定义及相应的发展趋势。掌握：系统分子生物学的主要技术平台、基本工作流程及应用。熟练掌握：系统分子生物学的研究内容及基因组、转录组、蛋白组、代谢组的概念。教学组织与实施：利用超星学习通提前上传课件，要求学生提前预习章节内容，做好课前准备工作。以班级授课的形式进行讲授，结合PPT及现场提问，讲述理论基础的同时，列举实际应用范例，深入浅出的讲授疑点难点。介绍我们科学界在黄瓜、番茄等蔬菜基因组学方面的成就，激发同学们的自豪感和科研热情。第八章分子生物学技术发展及其在农业科学中的应用学时数：6教学目标：掌握各种分子生物学技术的原理、应用及其发展趋势。教学重点和难点：各种分子生物学技术的原理及其应用。主要教学内容及要求：DNA基本技术、RNA基本技术、蛋白质与蛋白质组学研究技术、载体构建技术、基因表达技术的发展及其在农业科学中的应用。。要求：了解：分子生物学技术的发展趋势。掌握：分子生物学相关技术的原理。熟练掌握：模式植物、DNA技术、载体构建技术及基因表达技术等在农业科学中的应用。教学组织与实施：以班级授课的形式讲授分子生物学在农业科学中的应用中涉及的基本概念及特点（模式植物、报告基因、标记基因等）（4学时）。以小组协作学习的形式，让学生自己查阅教材及参考材料，然后各个小组分享信息，使学生掌握基因表达技术中RNAi与CRISPR的区别与相同点（1学时）。以辩论的形式，学生通过查阅相关资料后，选派代表分为正反两方针对园艺分子生物学中的相关技术展开辩论。话题:转基因YESorNo；RNAi好还是CRISPR好；等（1学时）。五、实验教学内容及学时分配（8学时）（一）实验课程简介设计4个实验，常见分子生物学仪器参观，讲解相关分子生物学仪器的操作方法和应用范围；提取质粒DNA及RNA并进行琼脂糖凝胶电泳检测，通过对其结果进行分析，介绍对实验常规材料的要求及应用；利用PCR技术检测SSR标记，增强学生对PCR技术的掌握以及对分子标记的感性认识。（二）实验教学目的和基本要求掌握分子生物学常用的实验技术及操作方法。（三）实验项目名称与学时分配序号实验名称学时类型实验要求每组人数1901103201碱裂解法提取质粒DNA及琼脂糖凝胶电泳检测4基础性必做61901103202利用PCR技术扩增SSR标记及聚丙烯酰胺凝胶电泳检测4设计性必做6（四）实验方式及基本要求老师讲解实验目的、实验原理、相关仪器和实验的操作及注意事项。学生分六人为一组，认真操作并记录实验现象，分析实验结果，按时交实验报告。（五）实验内容安排【实验一】碱裂解法提取质粒DNA及琼脂糖凝胶电泳检测1.实验学时：4个学时2.实验目的：掌握从大肠杆菌中制备质粒DNA的方法及琼脂糖凝胶电泳检测的相关操作。3.实验内容：用碱裂解液进行细胞裂解，染色体DNA和蛋白质变性，质粒DNA释放到上清中。碱性条件下碱基配对完全破坏，但是闭环的质粒DNA双链不会完全分离，因此加酸中和后质粒DNA复性而留在上清中。而细菌蛋白、破裂的细胞壁和变性的染色体DNA会相互缠绕成大型复合物，从溶液中有效地沉淀下来。离心即从上清中得到复性的质粒DNA。4.实验要求：以小组为单位，六人一组独立完成大肠杆菌质粒DNA的提取，以及琼脂糖凝胶的配置、电泳缓冲液的配置、点样、跑胶以及琼脂糖凝胶成像系统的操作，并独立完成实验报告，着重阐述质粒DNA以及琼脂糖凝胶电泳过程中遇到的问题和解决办法。5.实验设备及器材：恒温培养箱，恒温摇床，台式离心机，高压灭菌锅，微量移液器，微波炉，琼脂糖凝胶电泳及成像系统。【实验二】利用PCR技术扩增SSR标记及聚丙烯酰胺凝胶电泳检测1.实验学时：4个学时2.实验目的：学习PCR技术扩增的原理，了解SSR标记的基本原理、实验技术及其在分子生物学中的应用。3.实验内容：利用变性、引物复性及延伸的PCR扩增技术，扩增SSR标记在不同生态型甜瓜中表现。4.实验要求：以小组为单位，六人一组独立完成不同生态型甜瓜中的SSR片段的PCR扩增，并进行聚丙烯酰胺凝胶电泳检测不同生态型甜瓜中SSR的多态性。实验报告单独完成，并着重阐述PCR扩增过程中以及SSR标记聚丙烯酰胺凝胶电泳检测过程中遇到的问题及解决办法。5.实验设备及器材：PCR仪，琼脂糖凝胶电泳系统，凝胶成像系统，微量移液器。(六)考核方式及成绩评定实验课成绩：实验报告（占60%）+实验操作（占40%）。最后实验课成绩占课程总成绩的30%。六、课程思政坚持“实现立德树人根本任务”的大思政综合教育理念，在课程教学过程中将政治认同、家国情怀、文化素养、法治意识、道德修养等思想政治元素融入专业教育，隐性和显性教育相融合，知识育才和精神育才相结合。例如，绪论部分通过介绍园艺产品在人们生活中的地位、采后调控在园艺产业链中的重要作用，使学生潜移默化的了解本门课程的重要性，树立专业自信及三农情怀；在讲解园艺产品的采后生理章节时，有效融入我国园艺产品采后生理调控的最新研究进展，让学生更直观的了解我国的园艺产品采后分子生物学调控基础研究水平已经处于世界前列，而科学技术发展的前提就是国家稳定与国力强盛，国力的强盛才能带动更多的科研投入，推动我国农业现代化的发展